高壓水射流破碎煤體是高壓水射流的一項具體應用,提高水射流沖擊破碎煤體效率在水力采煤和 水力沖孔治理瓦斯等領域具有重要的研究價值。若要提高水射流破碎煤巖的效率,必須首先在理論上 掌握煤體在高壓水射流作用下的力學特征。因此,在高壓水射流破煤過程中,水體與煤體的力學特征一 直是高壓水射流破煤研究的重點。倪紅堅等[1-2]、王瑞和等[3]、廖華林等[4-5]、盧義玉等[6]、田方寶等[7]對 高壓水射流沖擊巖石的基本力學特性進行了深入的研究,在高壓水射流沖擊巖石的破孔過程、巖石表面 與內部的應力分布、巖石破碎的門檻壓力等方面得出一系列有價值的研究成果,為高壓水射流破巖提供 了理論與實驗方面有益的參考。穆朝民等對于煤體在高壓水射流作用下的動態(tài)損傷機理[8]、臨界破煤 強度[9]及高壓磨料射流破煤體的過程和數值計算方法[10]進行了探討,得出了在高壓水射流作用下煤體 的損傷形式和臨界破煤壓力。 

       目前高壓水射流破巖機理大多為實驗和數值分析結果,沒有涉及高壓水射流破煤的力學特征,即尚 未建立高壓水射流在沖擊煤體的過程中,未破水體、破碎水體、煤體的破碎區(qū)與擴孔區(qū)完整的力學方程, 因此對于高壓水射流破煤的力學機理很難形成有效的指導。本文中,擬在李永池等[11]關于長桿彈高速 侵徹混凝土相關研究(主要是彈體蘑菇頭系數和混凝土剛性破碎流體介質假設)的基礎上得出高壓水射 流沖擊煤體的基本力學特征。 

1 基本力學分析與假設 

       高壓水射流沖擊煤體的力學分析如圖1所示[11],A0-A0以左為高壓水射流未變形破裂部分(未變 形區(qū)),面積為SA0 ,長度為l;A0A0A1A1為高壓水射流的變形蘑菇頭區(qū),A1-A1為高壓水射流破碎前陣 面,面積為SA1 ,未變形區(qū)與變形蘑菇頭區(qū)合稱為未破碎高壓水射流區(qū);A1A1B1A2A2B1A1為高壓水射 流的破碎反射水射流區(qū),其中B1-A2為破碎高壓水擴孔終止界面,A1-B1為高壓水反射界面,高壓水形 成的總體環(huán)形面積為 SB1 ,A2-A2 為反射高壓水前沿和煤渣后沿的交界面,即沖擊交界面,其面積為 SA2 ;A2B2A3A3B2A2為煤的破碎和擴孔區(qū),A3-A3為煤的破碎前陣面,面積為SA3 ,B2A3為煤渣與實體 煤的交界面,即擴孔界面其總體環(huán)形面積為S,圖中 KB2A2B1 稱為煤渣的反向運動區(qū),邊界 A2B2 上的煤渣是和沖擊界面A2-A2一起以沖擊速度u運動的,并且 A2-A2上的壓力為沖擊壓力p。KB2為煤渣 最終成孔的截面。 高壓水射流沖擊煤體很復雜,為簡化問題,假定[11]:(1)煤體為剛性破碎流體介質,當p(沖擊壓力)。